JPH01130074A - 斜板式圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、冷媒ガス等の気体を圧縮する斜板式圧縮機に
関するものである。特に、シリンダ内径の大きい車両積
載空調用として、軽量で苛酷な使用条件下での信頼性に
優れた圧縮機に関するものである。

（従来技術と問題点） 斜板式圧縮機は、一般に第１図に示すように。

シリンダブロックｌ内に配置された回転軸２に取付けら
れ１回転軸とともに回転する斜板３と、斜板３に接しな
がら摺動されるシュー４、及び斜板３をまたいでシュー
４によって係留されるピストン５とからなる。回転軸と
ともに回転する斜板の回転運動は、シューによってピス
トンの往復運動に変換される。このような構造によって
冷凍回路を循環してきた冷媒ガス等の被圧縮媒体は、ピ
ストン５にてシリンダボア６内で高圧に圧縮され、再び
冷凍サイクル回路へと送り出される。

このような斜板式圧縮機が、車両積載空調用として用い
られる場合は非常に苛酷な作動条件にさるされる。近年
は車両の軽量化、小型化、前輪駆動化が進み、ボンネッ
ト内に取付られる圧縮機も小型軽量化が要求され、圧縮
機内のオイルポンプは取り外され、外部の冷凍回路より
圧縮機に戻った油を含んだ冷媒もしくは圧縮機内に戻り
冷媒より分離された油を圧縮機の各摺動部分に巡回させ
て潤滑する方式がとられるようになった。

この潤滑方法では圧縮機の回転数の高い場合には比較的
多量の帰還冷媒があるために、各摺動部への潤滑は充分
に行われるので問題は生じない。しかし圧縮機は駆動源
のエンジンとほぼ同一回転数となるように取付けられて
いるため、エンジン回転数の範囲即ち５００〜６０００
ｒｐｍの広い回転範囲で使用される。このため、エンジ
ン回転数の低い場合には帰還冷媒が少なくなり各摺動部
への潤滑が不十分となることから、摩耗が進行したり焼
付現象を生じる。また圧縮機はボンネット内に取付けら
れるため、排気対策の機器や燃料消費改善のための機器
の設置によりボンネット内は高温となりその為圧縮機が
高温となり潤滑油の粘度が低下し潤滑効果も低下し、前
述の摩耗や焼付の問題かり生じ易くなっている。

以上説明したような厳しい条件で使用される斜板式圧縮
機において、最も問題となる部分は斜板とシューとの摺
動部分である。

前述のようなエンジン回転数と対応するため、斜板とシ
ューの間の摺動速度は、機種によっても異なるが、はぼ
２〜２５　ｍ／ｓｅｅもの広い範囲に及ぶ。

通常走行時でもほぼ７〜１５　ｍ／ｓｅｅの高速で摺動
する。このように大きな摺動速度に加えて、シリンダボ
アの断面積に冷媒の圧縮圧力をかけた大きな荷重がシュ
ーに負荷される。シューへの荷重は機種によっても異な
るが１通常運転時ではほぼ１００〜２００　ｋｇ／ａ＆
程度の面圧である。従って、Ｐｖ値は３０００ｋｇ／ａ
＃−ｍ／ｓｅｅと非常に大きな値である。さらに、シュ
ーと斜板の間では固体接触の状態となるいわゆる境界潤
滑下にさらされることから焼付や摩耗を生じ易い。その
上、前述のように軽量化の目的から圧縮機内のオイルポ
ンプは取り外され。

外部の冷凍回路より圧縮機に戻った油を含んだ冷媒もし
くは圧縮機内に戻り冷媒より分離された油を圧縮機の各
摺動部分に循環させることによって潤滑する方式がとら
れるようになっているため。

斜板とシューとの摺動面には始動から数十秒、長いとき
には数分間潤滑油が供給されない状態でシューと斜板は
摺動する。また、長期間の使用では冷媒がリークし冷媒
が不足した状態で運転される場合もあり、このような運
転条件では潤滑状態は非常に苛酷なものとなる。また昼
夜の温度差が大きい環境下での運転初期や、不足した冷
媒を充填する作業時では、冷媒が液化した状態で運転さ
れる場合があり、その場合には潤滑油が冷媒で洗われて
摺動面に存在しなくなるばかりでなく、シリンダボア内
で液体を圧縮する状態となり、シリンダボア内の圧力は
１００〜１５０ｋｇ／ｃｄにも達し、定常の運転状態の
４〜６倍もの負荷荷重となるため、焼付を発生し易い。

斜板式圧縮機における軽量化は、シリンダブロック１や
ハウジング７．８ピストン５などが早期にアルミニウム
合金化されており、さらに軽量化を進めるため従来鋳鉄
製や鉄系焼結合金であった斜板を高珪素アルミニウム合
金化することが検討され、シリンダ内径の小さい圧縮機
において実施されてきた。

しかし、斜板を高珪素アルミニウム合金とすると、アル
ミニウム合金基地中に分散する硬い初晶珪素によってシ
ューの摩耗が発生しやすくなる。この対策として、シュ
ーの斜板との摺動面に種々の処理を施すことが提案され
ている。特公昭６０−５４５１６号では浸ボロン処理層
を設ける提案、特開昭５５−１２８６８１号では炭化物
層を設ける提案が、特開昭５４−６７２０９号ではイオ
ン窒化層を設ける提案等である。

しかしこれらの対策ではいずれも不十分であり、最近で
は、アルミナやジルコニアのようなセラミックスを鋼製
シューの底面にかしめたシューが使用されている・ しかし、これらのシューと高珪素アルミニウム合金製斜
板の組合せによる圧縮機でも、苛酷な使用条件下で要求
されている圧縮機の信頼性を満足するには至っていない
。特に、シリンダ内径の大きい圧縮機においては、シュ
ーの受ける圧力が高いことから、焼付や摩耗を発生しす
いので、斜板を潤滑性に優れた鋳鉄材や空孔による保油
性の良い鉄系焼結合金とし、シューを高珪素アルミニウ
ム合金材とする組合せから脱却できず、軽量化が遅れて
いた。

本発明人は、このような圧縮機において、底面に硬質の
イオンプレーティングを施したシューと高珪素アルミニ
ウム合金からなる斜板との組合せで優れた結果が得られ
ることを提案している（特願昭６２−５２９８１号）。

しかし、その後さらに検討を進めた結果シュー底面の硬
質イオンプレーティング皮膜の密着性にバラツキがあり
、イオンプレーティング皮膜が基地から剥離し、コンプ
レッサーの摺動部に剥離した皮膜が微細な粉末状となっ
て入り込み、摩耗や焼付を引き起こす場合があり、イオ
ンプレーティング皮膜の密着性を大巾に向上させる必要
があることが分かった。

（発明の目的） 本発明は、上記のような理由で斜板のアルミニウム化が
出来ないでいたシリンダボア径の大きい斜板式圧縮機の
摺動上の問題点を改良する材料組合せによって軽量な圧
縮機を得ることを目的としてなされたものである。又イ
オンプレーティング皮膜の密着性を高めたシューとする
ことで、先願の内容では不十分であった点を大１１に改
良したものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明では、シリンダブロック内において回転軸により
回転される斜板と、該斜板にシューを介して係留された
ピストンを有し、該斜板の回転に応じて前記ピストンが
シリンダボア内を往復運動するようにされた斜板式圧縮
機において、斜板と摺接する面に１〜１０μｍの厚さの
硬質イオンプレーティング皮膜を設け、その皮膜が鋼製
シューと強固に拡散接合されている組合せからなること
を特徴とする斜板式圧縮機である。本発明での前記シュ
ーに設ける硬質イオンプレーティング皮膜は、クロムと
窒素、又はチタンと窒素とからなることが望ましい。

（作用） 本発明で、斜板を高珪素アルミニウム合金で構成するが
、その目的は軽量化及び後述するシューとの組合せによ
る摺動特性の改良である。この斜板として用いる材料と
しては、　Ｓｉ：１４〜２０重量％、Ｃｕ：３〜８重量
石、Ｍｇ：０．２〜２．０重量％を必須の構成成分とし
残部が実質的にＡＱからなる高珪素アルミニウム合金で
、更にｐｂを必要により０．５〜２重量％含有させても
良い。

Ｓｉが１４４重量％満では基地中に分散する初晶Ｓｉ粒
子の数が不足し、斜板の摩耗やシューとの間での焼付を
生じる。他方、２００重量％超えると初晶Ｓｉが粗大化
し斜板の強度や靭性を低下させる。

ＣｕとＭｇは熱処理によりアルミニウム合金の基地の強
度を確保する目的で不可欠の元素である。ＣＩは３重量
％未満では熱処理による時効硬化でも満足する強度が得
られず、他方８％を超えると晶出する化合物が著しく粗
大化し斜板の靭性を損なう他、耐食性が低下する。Ｍｇ
は０．２重量％未満では熱処理により時効硬化でも満足
する強度が得られず、２．０重量％を超えると靭性が低
下する他、熱間鍛造が困難となる。なお、ｐｂを必要に
より０．５重量％から含有させるとｐｂは初晶Ｓｉ粒子
の中やその近傍に析出するため潤滑油が不足した運転条
件下での耐焼付性を高める。又機械加工時の工具の寿命
を長くする製造上の効果がある。ｐｂの量は０．５重量
％未満では機械加工面での効果はあるが耐焼付性への効
果はなく、他方２．０重量％を超えると良好な組織の連
続鋳造材の製造ができない。その部分に微小な空隙を生
じるため、斜板としての使用時にこの部分が内部欠陥と
して応力集中を受は疲労強度を著しく低下させてしまう
。

斜板の製造は、このような組成のアルミニウム合金をＤ
ＣＩ造よりも冷却速度の速いホットトップ式の連続鋳造
方法により直径５０〜８０ｍｍの細径丸棒とし、これを
切断後熱間鍛造によって斜板に近い鍛造素材とし、Ｔ６
又はＴ７の熱処理後機械加工により所定の形状に仕上げ
られる。その後中央の穴部に鋼製軸を圧入し使用する。

ホットトップ式鋳造では、冷却速度が速く初晶Ｓｉを均
一微細なものとすることができる他、鉛を添加した鋳造
材でも前述の成分範囲内に限れば初晶Ｓｉの粗大化や偏
析なしに鋳造できる。又鍛造では鋳造組織を破壊するこ
とで材料の強靭性を高めるが、鍛造によるメタルフロー
は斜板に負荷される応力方向に対し出来るだけ直角とな
るような方法での鍛造が良い。

シューは高炭素鋼や高クロム軸受鋼を切断し。

冷間鍛造して予備形状とし、更にサイジング金型中で鍛
造し球面の寸法精度を高める。その後底面を研磨やラッ
プ仕上げをしてフロン液中で超音波洗浄を行った後に少
なくとも斜板と摺接する底面の平坦部にイオンプレーテ
ィングによる硬質皮膜を１〜１０μｍの厚さで設ける。

その後、基地とイオンプレーティング皮膜の密着性を完
全なものとする。イオンプレーティング皮膜の厚さが１
μｍより薄いと、長時間の使用で摩耗してしまう、他方
１０μｍを超えるとイオンプレーティングの焼き入れ時
や使用時に皮膜が剥離を生じ易くなる。イオンプレーテ
ィング皮膜としては、チタンと窒素又はクロムと窒素と
からなる皮膜が前記斜板と組合せた場合に良好な結果が
得られる。特にクロムと窒素からなる皮膜が、前記アル
ミニウム合金製斜板と組合せた場合に耐焼付性や耐摩耗
性に著しく優れた結果となる６ イオンプレーティングはシューを治具にセットしその状
態で表面を超音波洗浄後、脱脂処理しアーク・イオンプ
レーティング装置の真空容器内に取付る。容器内を１０
−”　Ｔｏｒｒ程度の高真空にした後、内臓するヒータ
ーでシューを４００〜６００℃に加熱して、チタンもし
くはクロムからなるターゲットの表面にアークを飛ばし
て、これらの金属元素を大部分がイオン化した状態でタ
ーゲット表面から飛び出させる。この時にシューと治具
にはバイアス電圧を７００〜８００Ｖとしておき、飛び
出したイオン化したチタンもしくはクロムをシューと治
具表面に引き付ける、いわゆるボンバード処理により表
面の活性化を行う。その後、窒素ガスを真空容器内に導
入して真空度を０，０２Ｔｏｒｒ程度とし、バイアス電
圧を３０〜１２０Ｖとしてシュー表面にイオンプレーテ
ィング皮膜を生成させる。所定の皮膜厚さとなるまでの
時間中シュー表面の温度を放射温度計で測定しバイアス
電圧とアーク電流を上下させることによってシュー表面
が４００〜５００℃間の所定の温度を維持出来るように
制御する。所定の皮膜厚さとなるに必要な時間の経過後
、イオンプレーティングを中止し容器内で冷却後シュー
を容器外に取り出す。このままではイオンプレーティン
グ皮膜と基地との密着性が不十分であるために５００℃
以上の温度で真空炉又は雰囲気炉で加熱保持を行う。

特に好ましくは７００℃以上の温度である。この加熱保
持によってイオンプレーティング皮膜と基地間での拡散
が起こり、密着を完全なものとすることができる。さら
に加熱によってイオンプレーティング皮膜の内部歪が解
放されるため硬度が低下するので相手斜板を傷つける傾
向がなくなる。尚、加熱することでシューの基地が低下
するために球部の摩耗が生じたりイオンプレーティング
皮膜下地の耐力が低下するため、取り扱い時や使用時の
面圧により局部的な変形や打痕を生じる等の不利な点が
生じてしまう。このため、イオンプレーティングの加熱
温度を焼き入れ温度とし、保持後強制冷却し、更に焼き
戻しを行うことで上記の問題を解決することができる。

その後、イオンプレーティング皮膜の表面粗さが０．４
μｍ以下でないと相手の斜板を摩耗させてしまうため、
表面粗さが０゜４μｍ以下の粗さになるようラップ仕上
げを行う。

さらにシューの球部の粗さを改善するためバレル仕上げ
を行い寸法確認後、圧縮機に組み込む。

（実施例−１） 先ず、第２図に上面図、第３図に側面図に示したシュー
実体摩擦摩耗試験機により種々の材料組合せで耐焼付性
の評価試験を行った。図中１０は図示しない回転動力伝
達機構から回転される軸であり、軸受９で支承され、斜
板用材料の円板状テストピース１１が取付られている。

軸ｌＯと平行に設けられ、且つ図示しない指示部により
固定されている軸１２に直進及び回転自在となるように
取付けられたホルダー１３には、油圧シリンダー１４が
設けられており、ピストン１５によりシュー１６を両側
から斜板用材料からなる円板状テストピース１１をはさ
みつける構造となっている。

なお、シューは自転が可能なように取付られている。ホ
ルダー１３にはウェイトバランサー１７が設けられてお
り軸１２を支点としてのバランスを調整する。円板状テ
ストピース１１とシュー１６との間の摩擦力は、ピアノ
線１８を介して引張型のロードセル１９に伝達される。

ロードセルからは図示しないストレンアンプで増幅され
記録計に記録される。なお、油圧シリンダーへの油圧は
図示しない油圧ユニットからサーボバルブを介して所定
の圧力が負荷されるようになっている。

円板状テストピース材料としては、第１表に示すＴ７処
理した高珪素アルミニウム合金を用いた。

第１表 シューは５ＵＪ−２材をパーツフォーマ−による冷間鍛
造で半球形に近い予備成形体とし、焼鈍後頁にサイジン
グ金型中で鍛造し球部の寸法精度を高めた。その後底面
を研磨して少なくとも斜板と摺接する底面の平坦部にイ
オンプレーティングによる硬質皮膜を３〜８μｍの厚さ
で設ける。イオンプレーティングの方法は前述の通りで
ある。イオンプレーティング後、真空焼き入れ炉にて８
２０℃で３０分像保持後冷して焼き入れを行い、その後
窒素雰囲気炉で１８０℃の焼き戻しを行った。試験に供
したシューのイオンプレーティング皮膜の種類及び皮膜
の厚さ、硬度の測定結果、Ｘ線回折による皮膜の結晶構
造は第２表に示す通りであった。なお、比較材として、
９９．５％ＡＱ□０３製シュー（テストピースＮｏ、Ａ
）と部分安定化ジルコニア製シュー（テストピースＮｏ
、Ｚ）で各々底面の表面粗さをＲａで０．３μｍに仕上
げたものを用いた。尚、形状はイオンプレーティング品
と全く同一とした。

第２表 試験条件 周速：　２．５　ｍ／ｓｅｅ 潤滑油：コンプレッサーオイル（スニソ５ＧＳ）潤滑方
法ニオイル噴霧法（０、６ｃｃ／　ｍｉｎ　）荷重：　
４０ｋｇから開始し１０ｋｇきざみでステップ昇圧、各
荷重段階では３分間保持 テストピースの表面粗さ 円板状テストピース：０．８〜１．ＯＳシュー　　　　
　　：０．３〜０．４８焼付の評価は摩擦係数が０．０
５となった荷重点を焼付発生荷重とする。

円板状テストピースとシュー材の組合せと試験結果の焼
付発生荷重を第３表に示す。

第３表 いずれもセラミックス（Ａ　Ｑ　、Ｏ，、部分安定化ジ
ルコニア）よりも優れた値であったが、特に皮膜の組成
がＣｒ、Ｃｒ、ＮであるＳ−１、Ｃｒ２Ｎ組成のＳ−２
が良好である。

（実施例−２） 斜板とシューを実施例−１の材料組合せとして圧縮機を
組み立て、下記の条件下でベンチにて実機試験を実施し
た。

圧縮機：６気筒の斜板式圧縮機（シリンダボア径：　３
６ｍｍ、シリンダボアのＰ、Ｃ，Ｄ：６６ｍｍ、総排気
量：　１５０ｃｃ） 回転数：　４０００ｒｐｍ 排出ガス圧：５〜５．５ｋｇ／ａＪ 吸入側ガス圧：約　５０ｍｍＨｇ 運転時間：最高２０時間 潤滑油：コンプレッサーオイル（スニソ５ＧＳ）００ｃ
ｃ 封入冷媒量：２４０ｇ（正規量の２０％）運転中、トル
クメーターのトルクを自動監視し定常トルクよりも５％
増加した時は自動停止するようにした。本発明のシュー
と斜板の組合せでは何れも異常がなく２０時間の運転に
耐えた。テスト後の分解調査の結果でも焼付は認められ
なかった。しかし、比較の組合せＮ００６のものは５時
間、Ｎｏ、７のものは８時間でトルクの増加により停止
し分解調査の結果、シューと斜板の間で焼付が発生して
いることが確認された。

（実施例−３） 実施例−１と同じロットのイオンプレーティングを行っ
たものでイオンプレーティング後の焼き入れ処理を施さ
なかったシューを用い拡散処理の有無による密着性を次
の方法で評価した。

評価方法 遠心バレル機のポットに砥石とシュー を各３０個づつ入れて９０分間バレル機を運転後、イオ
ンプレーティング面の調 査を行った。結果を第４表に示す。

第４表 以上のように、イオンプレーティング後の加熱保持を行
うことで、イオンプレーティング膜と基地の間に拡散が
起こり、密着力が向上していることが確認された。

尚、この加熱処理により硬度はＨｍＶで約４００〜８０
０位の低下をきたしている。Ｘ線回折ピークのａ察から
、この原因は高温での加熱保持で内部歪の解放が起こっ
ていることが確認される。結晶の配向性については加熱
保持によっても変化は認められない。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば従来斜板のアルミニウム
化が固壁であったシリンダボアの大きい、即ちシューに
負荷される荷重の大きい機種において、高珪素アルミニ
ウム合金で形成した斜板と、少なくとも該斜板との摺接
面に硬質イオンプレーティング皮膜がｍ製゛基地と拡散
接合されたシューとの組合せとすることで摺動特性が大
幅に改良され、圧縮機の軽量化が可能となる。又、シュ
ーは寸法の小さい部品であるため、イオンプレーティン
グ装置で一度に多量の処理が可能なため、経済性も優れ
たものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の斜板式圧縮機の構成を示す断面図、第
２図は比較試験に用いたシュー実体摩擦摩耗試験機の上
面図、第３図はその側面図、第４Ａ、第４Ｂ、第４０、
第４Ｄ図はそれぞれ本発明のシューの実施例を示す断面
図である。 図中：３・・・斜板、４・・・シュー、４ａ・・・イオ
ンプレーティング皮膜層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　シリンダブロック内において回転軸により回転され
   る斜板と、該斜板にシューを介して係留されたピストン
   を有し、該斜板の回転に応じて前記ピストンがシリンダ
   ボア内を往復運動するようにされた斜板式圧縮機におい
   て、高珪素アルミニウム合金で形成した前記斜板と、少
   なくとも斜板との摺接面に１〜１０μｍの厚さの硬質イ
   オンプレーティング皮膜が鋼製基地と拡散接合されたシ
   ューとを組合せたことを特徴とする斜板式圧縮機。 ２　前記シューの硬質イオンプレーティング皮膜が、ク
   ロムと窒素とからなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の斜板式圧縮機。 ３　前記シューの硬質イオンプレーティング皮膜が、チ
   タンと窒素とからなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の斜板式圧縮機。